▌01 调制激光检测

1.裁判系统要求

在 测试ESP32S基本模块的功能，并验证是否可以应用在AI智能车竞赛检测激光信号中 测试了基于 ESP32 模块来检测 全国大学生智能车竞赛 中的 室内AI视觉组 的车模信号。其中包括两类信号：

第一类是车模想目标靶发送的 调制信号（125Hz）
第二类型号是车模运行在目标靶位前后位置检测信号；原来定义为光电检测信号。现在考虑将其改成 传统的比赛系统所使用的感应线圈。

^{▲ 赛道上的AprilTag和路边的目标靶位}

2.原来算法存在的问题

（1）存在的问题

在测试ESP32S基本模块的功能，并验证是否可以应用在AI智能车竞赛检测激光信号中给定的Python程序检测算法存在以下问题：

计算时间偏长；计算一个通道的信号大约需要40ms时间。这样两个通道就需要80ms。
所占用的内存偏高。原来的计算所使用的数据类型都是浮点数。cos，sin表格对应的内存过大。

（2）拟解决方案

将原来的计算都修改为整形数据的运算，同时解决前面的计算实际上以及所需要存储空间大的问题。

▌02 程序优化验证实验

1.改进测试论证

（1）测试浮点数和整形数所占空间

【Ⅰ.测试内存大小方法】

在 Python 获得对象内存占用内存大小 sys.getsizeof 给出了测试python对象在内存中的大小方法。下面测试一下是否在MicroPython也可以使用。

通过测试，发现在MicroPython中，对应的sys没有对应的 getsizeof()的函数。

在 Getting the size of an object in MicroPython - MicroPython Forum 给出了使用以下两个函数来获得对象所占用的内存的大小方法：

gc.collect()
gc.mem_free()
测量浮点list内存大小
结果：[1.24 for _ in range(512)] : 2096

from machine                import Pin
import usys
gc.collect()
mem1 = gc.mem_free()
a = [1.24 for _ in range(512)]
gc.collect()
mem2 = gc.mem_free()
print(mem1, mem2, mem1-mem2)

测量整形list大小：
结果：[0 for _ in range(512)] : 2096

居然，在MicroPython中浮点数与整形数所占的内存是相同的。都是4个字节。

【II.整形数最大值】

根据 MicroPython usys.maxsize 给出测定当前平台上可以表达的最大整形数：32bit。

from machine                import Pin
import usys
print('%x'%usys.maxsize)

7fffffff

因此，通过上面测试可以看到，使用整数和浮点数对于内存占用，在MicroPython中是无法改变的。

（2）测试浮点数和整形数乘加运算时间

【Ⅰ.测试代码】

from machine                import Pin
import usys
import time
gc.collect()
mem1 = gc.mem_free()
a = [0.1 * i for i in range(512)]
b = [0.2 * i for i in range(512)]
startms = time.ticks_ms()
sum = 0
for i in range(512):sum += (a[i] * b[i])
totalms = time.ticks_diff(time.ticks_ms(), startms)
print(totalms)

【Ⅱ.测试结果】

浮点数消耗时间：

运行时间：16ms

整形数消耗时间：

运行时间：12ms

可以看使用整形数进行计算，的确可以将计算机时间提高，但只是提高大约25%，并不明显。

2.提高系统时钟频率

（1）测量系统工作频率

from machine                import Pin
import usys
import time
import machine
print(machine.freq())
machine.freq(240000000)
print(machine.freq())

运行结果：

160000000
240000000

这说明模块原来的工作频率就已经有160MHz，所以提高的240MHz可以提高50%的运行速度。

（2）重新测试运行时间

【Ⅰ.测试代码】

from machine                import Pin
import usys
import time
import machine
print(machine.freq())
machine.freq(240000000)
print(machine.freq())
a = [0.1*i for i in range(512)]
b = [0.2*i for i in range(512)]
startms = time.ticks_ms()
sum = 0
for i in range(512):sum += (a[i] * b[i])
totalms = time.ticks_diff(time.ticks_ms(), startms)
print(totalms)

【Ⅱ.测试结果】

运行时间： 11ms

通过测试结果来看，时间从16ms缩短到11ms，这与系统频率的提升（160MHz 提升到240MHz）是相对应的。

frequency must be 20MHz, 40MHz, 80Mhz, 160MHz or 240MHz

3. 优化运算结构

根据前面的测试，如果能够综合结合将计算类型修改成整型，并提高系统工作频率，这样就可以大约能够将速度提高1倍左右。

通过实际测试，修改成整形运算之后，在240Mhz运行，实际计算的时间只有8ms左右。

（1）修改程序结果

在前面的计算过程，由于使用了循环，这可能会浪费时间。如果将循环去掉，直接使用MicroPython内置的sum, zip函数，可以节省程序流程。比如：

sumd = sum([aa*bb for aa,bb in zip(a,b)])

此时，测试程序执行的时间只有：4ms！到此为止，程序执行速度提高了整整 4倍。

▌03 优化信号检测程序

1.构建整型的加窗sin.cos系数

（1）代码

def angle1(n):return n*2*3.1415926*SAMPLE_PERIOD / 1000.0 * FREQUENCY_MODdef wval(w):if w < SAMPLE_NUM / 2:return w * 2 / SAMPLE_NUMelse: return (SAMPLE_NUM - w) * 2 / SAMPLE_NUMwdim = [wval(w) for w in range(SAMPLE_NUM)]
cosdim = [int(math.sin(angle1(a)) * wdim[a] * 0x7ff) for a in range(SAMPLE_NUM)]
sindim = [int(math.cos(angle1(a)) * wdim[a] * 0x7ff) for a in range(SAMPLE_NUM)]

（2）系数波形

^{▲ W数组}

^{▲ sindim, cosdim 对应的数组}

对于宽度为τ\tauτ，高度为E的等腰三角信号f(t)f\left( t \right)f(t)对应的频谱为：

Ftriangle(ω)=Eτ2Sa2(ωt4)F_{triangle} \left( \omega \right) = {{E\tau } \over 2}Sa^2 \left( {{{\omega t} \over 4}} \right)Ftriangle(ω)=2EτSa2(4ωt)

2.修改计算程序

（1）修改后的代码

def sample_amp(s):global cosdim,sindim,sample_pointcos_sam = 0sin_sam = 0scopy = s.copy()if sample_point > 0:scopy = scopy[sample_point:] + scopy[:sample_point]cos_sum = sum([s*w for s,w in zip(scopy,cosdim)]) / SAMPLE_NUMsin_sum = sum([s*w for s,w in zip(scopy,sindim)]) / SAMPLE_NUMreturn math.sqrt(cos_sum**2 + sin_sum**2)

（2）测试运行时间

计算出一个系数的时间：11ms。速度提高了大约 4倍。

3.测试检测性能

（1）频率响应曲线

测试所使用的程序：

ESP32 程序：参见附件1
测试程序：参见附件2：

使用 DG1062 产生峰峰值1V正弦波，频率从110Hz变化到140Hz，输入的ESP32AD通道。计算检测信号的输出如下图所示：

^{▲ 对于不同的频率检测到的125Hz的输出数值}

这个波形符合理论上三角加窗函数的频谱值。第一个过零点分别位于121Hz与129Hz。是采样时间（0.5s）对应频率的两倍。

因此，经过改动之后，使用整型数所得到的结果与浮点数是相同的。

（2）检测检测时间

这是用来测量当光照在传感器上，到程序给出相应之间的时间差。

所使用的程序： 参见附件3

测试方案，是将上面的程序烧制在ESP32内部的boot.py。当检测到调制激光之后，便将GPIO15提高。外部使用ESP8266来测试对应的时间差。

测试时间差使用 ESP-12F模块转接板测试版调试说明，下载MicroPython程序。ESP8266-12F 模块。

^{▲ 测试响应时间}

测试资源：

使用GPIO5:产生PWM（125Hz）调制激光管； – PIN12
使用GPIO4：测量时间差。–PIN11

【Ⅰ.测量代码】

from machine                import Pin,PWM
import time
pin4 = Pin(4, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
pwm = PWM(Pin(5))
pwm.freq(125)
pwm.duty(512)
def timedelay():pwm.duty(0)time.sleep_ms(500)startms = time.ticks_ms()pwm.duty(512)while True:if pin4.value() > 0:breaktotalms = time.ticks_diff(time.ticks_ms(), startms)return totalms
while True:print(timedelay())

【Ⅱ.测量结果】

将激光器距离光电管65厘米，测试一百次的检测结果，统计结果如下：

平均值： 201.2ms
方差：4.76

def thonnycmd(cmd):tspsendwindowkey('Thonny', 's', alt=1, noreturn=1)tspsendwindowkey('Thonny', '%s
'%cmd, noreturn=1)
def thonnyshs(cmd='', wait=0):tspsendwindowkey('Thonny', 's', alt=1, noreturn=1)if len(cmd) > 0:tspsendwindowkey('Thonny', '%s
'%cmd, noreturn=1)if wait > 0:time.sleep(wait)tspsendwindowkey('Thonny', 'ac', control=1, noreturn=1)return clipboard.paste()
tspsendwindowkey('Thonny', 's', alt=1)
tspsendwindowkey('Thonny', 'ac', control=1)
pastestr = clipboard.paste()
v = [float(s) for s in pastestr.split('[')[-1].split(']')[0].split(',')]
printf(v)
printf(sum(v) / len(v))
printf(std(v))

如果将激光器靠近接收光电管，此时相应时间就会降低。如果远离，检测时间就会加长。这对应信号占整个采样时间比例不同。如果信号强，那么0.5秒中只需要200毫秒数据就可以检测到的阈值满足要求。如果信号强，这个时间可以短。如果信号弱，这个时间就会加长。时间变化从100ms到500ms。

▌实验总结

经过前面讨论，可以看到使用整形数来进行存储、计算激光信号。在MicroPython工作环境中，并没有减少对于内存的需求，但是通过提前构造已经加窗（三角窗口）的cos，sin整形数组，最终提高的监测计算速度。

经过测试可以看到计算一个通道的0.5秒（500个采样数据）对应的125Hz的频谱幅值，只需要11ms左右。检测两路则只需要22ms。这就大大提高的车模检测响应时间。

■ 相关文献链接:

测试ESP32S基本模块的功能，并验证是否可以应用在AI智能车竞赛检测激光信号中
ESP32串口转WiFi双天线ESP32-S模组
第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
第十六届全国大学生智能车竞赛竞速组-室内视觉组补充说明
傅里叶帮我看看，谁在照射我？
信标组裁判系统原理与实现
Python 获得对象内存占用内存大小 sys.getsizeof
Getting the size of an object in MicroPython - MicroPython Forum
MicroPython usys.maxsize
DG1062可编程信号源

▌附件

1.ESP32测试程序

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST11.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2021-04-11
#
# Note:
#============================================================from machine                import Pin,ADC,PWM
import time
from machine                import Timer
import math
import cmath
import machine#------------------------------------------------------------
machine.freq(240000000)#------------------------------------------------------------
pwm = PWM(Pin(2))
pwm.freq(125)
pwm.duty(512)led = Pin(18, Pin.OUT)#------------------------------------------------------------
adc1 = ADC(Pin(36))
adc2 = ADC(Pin(39))
adc3 = ADC(Pin(34))adc1.atten(ADC.ATTN_6DB)
adc2.atten(ADC.ATTN_6DB)
adc3.atten(ADC.ATTN_6DB)SAMPLE_NUM = const(500)
AVERAGE_NUM = 16
ad1dim = [0] * SAMPLE_NUM
ad2dim = [0] * SAMPLE_NUM
ad3dim = [0] * SAMPLE_NUMsample_point = 0
stop_flag = 0def ADC3Sample(_):global ad1dim,ad2dim,ad3dimglobal sample_pointglobal adc1,adc2,adc3global stop_flagad1dim[sample_point] = adc1.read()ad2dim[sample_point] = adc2.read()ad3dim[sample_point] = adc3.read()sample_point += 1if sample_point >= SAMPLE_NUM:sample_point = 0#------------------------------------------------------------
SAMPLE_PERIOD = 1time0 = Timer(0)
time0.init(period=SAMPLE_PERIOD, mode=Timer.PERIODIC, callback=ADC3Sample)#------------------------------------------------------------
FREQUENCY_MOD = 125def angle1(n):return n*2*3.1415926*SAMPLE_PERIOD / 1000.0 * FREQUENCY_MODdef wval(w):if w < SAMPLE_NUM / 2:return w * 2 / SAMPLE_NUMelse: return (SAMPLE_NUM - w) * 2 / SAMPLE_NUMwdim = [wval(w) for w in range(SAMPLE_NUM)]
cosdim = [int(math.sin(angle1(a)) * wdim[a] * 0x7ff) for a in range(SAMPLE_NUM)]
sindim = [int(math.cos(angle1(a)) * wdim[a] * 0x7ff) for a in range(SAMPLE_NUM)]#------------------------------------------------------------
def sample_amp(s):global cosdim,sindim,sample_pointscopy = s.copy()if sample_point > 0:scopy = scopy[sample_point:] + scopy[:sample_point]cos_sum = sum([s*w for s,w in zip(scopy,cosdim)]) / SAMPLE_NUMsin_sum = sum([s*w for s,w in zip(scopy,sindim)]) / SAMPLE_NUMreturn math.sqrt(cos_sum**2 + sin_sum**2)#------------------------------------------------------------time.sleep_ms(500)
startms = time.ticks_ms()
sample_amp(ad1dim)
totalms = time.ticks_diff(time.ticks_ms(), startms)
print(totalms)while True:ins = input('Input: ')if ins == 'q':breakprint((sample_amp(ad1dim), sample_amp(ad2dim), sample_amp(ad2dim)))time.sleep_ms(500)#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : test11.PY
#============================================================

2.测量不同频率下的检测输出

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST2.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2021-04-11
#
# Note:
#============================================================from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *def thonnycmd(cmd):tspsendwindowkey('Thonny', 's', alt=1, noreturn=1)tspsendwindowkey('Thonny', '%s'%cmd, noreturn=1)def thonnyshs(cmd='', wait=0):tspsendwindowkey('Thonny', 's', alt=1, noreturn=1)if len(cmd) > 0:tspsendwindowkey('Thonny', '%s'%cmd, noreturn=1)if wait > 0:time.sleep(wait)tspsendwindowkey('Thonny', 'ac', control=1, noreturn=1)return clipboard.paste()#------------------------------------------------------------
dg1062open()freqset = linspace(110, 140, 100)value = []for f in freqset:dg1062freq(1, f)time.sleep(1)cmdstr = thonnyshs('\r',0.1).split('(')[-1].split(',')[-3]value.append(float(cmdstr))printff(f, cmdstr)tspsave('Scan3', f=freqset, v=value)plt.plot(freqset, value)
plt.xlabel("Frequency(Hz)")
plt.ylabel("Value")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST2.PY
#============================================================

3.测量响应时间测试程序

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST11.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2021-04-11
#
# Note:
#============================================================from machine                import Pin,ADC,PWM
import time
from machine                import Timer
import math
import cmath
import machine#------------------------------------------------------------
machine.freq(240000000)#------------------------------------------------------------led1 = Pin(18, Pin.OUT)
led2 = Pin(5, Pin.OUT)
checkpin = Pin(2, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
outpin = Pin(15, Pin.OUT)#------------------------------------------------------------
adc1 = ADC(Pin(36))
adc2 = ADC(Pin(39))
adc3 = ADC(Pin(34))adc1.atten(ADC.ATTN_6DB)
adc2.atten(ADC.ATTN_6DB)
adc3.atten(ADC.ATTN_6DB)SAMPLE_NUM = const(500)
AVERAGE_NUM = 16
ad1dim = [0] * SAMPLE_NUM
ad2dim = [0] * SAMPLE_NUM
ad3dim = [0] * SAMPLE_NUMsample_point = 0
stop_flag = 0def ADC3Sample(_):global ad1dim,ad2dim,ad3dimglobal sample_pointglobal adc1,adc2,adc3global stop_flagad1dim[sample_point] = adc1.read()ad2dim[sample_point] = adc2.read()ad3dim[sample_point] = adc3.read()sample_point += 1if sample_point >= SAMPLE_NUM:sample_point = 0#------------------------------------------------------------
SAMPLE_PERIOD = 1time0 = Timer(0)
time0.init(period=SAMPLE_PERIOD, mode=Timer.PERIODIC, callback=ADC3Sample)#------------------------------------------------------------
FREQUENCY_MOD = 125def angle1(n):return n*2*3.1415926*SAMPLE_PERIOD / 1000.0 * FREQUENCY_MODdef wval(w):if w < SAMPLE_NUM / 2:return w * 2 / SAMPLE_NUMelse: return (SAMPLE_NUM - w) * 2 / SAMPLE_NUMwdim = [wval(w) for w in range(SAMPLE_NUM)]
cosdim = [int(math.sin(angle1(a)) * wdim[a] * 0x7ff) for a in range(SAMPLE_NUM)]
sindim = [int(math.cos(angle1(a)) * wdim[a] * 0x7ff) for a in range(SAMPLE_NUM)]#------------------------------------------------------------
def sample_amp(s):global cosdim,sindim,sample_pointscopy = s.copy()if sample_point > 0:scopy = scopy[sample_point:] + scopy[:sample_point]cos_sum = sum([s*w for s,w in zip(scopy,cosdim)]) / SAMPLE_NUMsin_sum = sum([s*w for s,w in zip(scopy,sindim)]) / SAMPLE_NUMreturn math.sqrt(cos_sum**2 + sin_sum**2)#------------------------------------------------------------#time.sleep_ms(500)
#startms = time.ticks_ms()
#sample_amp(ad1dim)
#totalms = time.ticks_diff(time.ticks_ms(), startms)
#print(totalms)#------------------------------------------------------------print("Set pin2 low to return REPL..")loopcount = 0
THRESHOLD_VAL = const(50000)while True:check1 = sample_amp(ad1dim)check2 = sample_amp(ad2dim)flag = 0if check1 >= THRESHOLD_VAL:led1.on()flag = 1else: led1.off()if check2 >= THRESHOLD_VAL:led2.on()flag = 1else: led2.off()if flag == 0:outpin.off()else: outpin.on()if checkpin.value() == 0:breakprint("User stop.")#------------------------------------------------------------#while True:
#    ins = input('Input: ')#    if ins == 'q':
#        break#    print((sample_amp(ad1dim), sample_amp(ad2dim), sample_amp(ad2dim)))#    time.sleep_ms(500)#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : test11.PY
#============================================================

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ESP32检测调制激光信号程序优化

▌01 调制激光检测

1.裁判系统要求

2.原来算法存在的问题

（1）存在的问题

（2）拟解决方案

▌02 程序优化验证实验

1.改进测试论证

（1）测试浮点数和整形数所占空间

【Ⅰ.测试内存大小方法】

【II.整形数最大值】

（2）测试浮点数和整形数乘加运算时间

【Ⅰ.测试代码】

【Ⅱ.测试结果】

2.提高系统时钟频率

（1）测量系统工作频率

（2）重新测试运行时间

【Ⅰ.测试代码】

【Ⅱ.测试结果】

3. 优化运算结构

（1）修改程序结果

▌03 优化信号检测程序

1.构建整型的加窗sin.cos系数

（1）代码

（2）系数波形

2.修改计算程序

（1）修改后的代码

（2）测试运行时间

3.测试检测性能

（1）频率响应曲线

（2）检测检测时间

【Ⅰ.测量代码】

【Ⅱ.测量结果】

▌实验总结

▌附件

1.ESP32测试程序

2.测量不同频率下的检测输出

3.测量响应时间测试程序

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